レーザー加工

ガラス加工のニーズ

ガラスは透明かつ化学的・物理的に安定であるため、多岐にわたる分野で使用される材料の1つです。ガラス部品の製造では多くの場合接合を必要とし、その精密さが製品の性能を大きく左右することも少なくありません。今回紹介する超短パルスレーザーを用いたガラス溶接以外にも、今まで様々な溶接方法が用いられてきましたが、その接合技術の向上は大きな課題となっています。

ガラス加工の難しさ

溶接で一般的に用いられる金属材料とは異なり、ガラス材料は多くの種類のレーザー光を透過する性質を有するため、レーザーを用いた加工は今まで難しいとされてきました。しかし後述する超短パルスレーザーの産業レベルでの実用化が成功し、ガラスを透過しないような極めて高いピークパワーを有するレーザー（超短パルスレーザー）での加工が可能となりました。実際にスマートフォンに使用される平面ガラスの切断では、超短パルスレーザー発信器が活用されています。

超短パルスレーザーの原理

超短パルスレーザーをガラス内部に強く照射すると、非線型プロセスによりレーザー強度の高い焦点付近でのみ吸収が発生し、ガラス表面付近では全く吸収されません。結果として、内部溶融が可能となります。部品の外表面に影響を与えることなく、接合すべき部分のみを洗濯して接合可能なこの方法は部品の構造設計の自由度を大幅に拡大します。

超短パルスレーザーによるガラス溶接のメリット

超短パルスレーザーによるガラス溶接の特徴はなんと言ってもガラスの平面度を阻害せずかつ、高強度での加工が可能な点にあります。これは接着の強さや耐久性、高い劣化耐性が要求される製品にとっては、不可欠な要素となります。

超短パルスレーザーによるガラス溶接のデメリット

欠点がないかのように思われる超短パルスレーザーですが、産業分野で実際に活用するためには大きな課題があります。それは加工スピードの問題です。超短パルスレーザーの加工スピードは10mm/秒程度であり、高速化のためにはさらなる高出力化や高繰り返し周波数化が必要となります。

レーザー以外のガラス接合

加工の難しいガラスの接合ですが、レーザーを用いた接合以外にもいくつかの接合方法が存在します。

接着剤による接合は、大掛かりな設備を必要としないメリットがある反面、長い硬化時間が必要、経年劣化、アウトガスの発生（周辺部材の劣化につながる）、などのデメリットがあります。

ロウ接では、ガラス基板より融点の低いガラス材を差込み、炉内で加熱することにより接着を可能とします。これには、接合強度・耐熱性の低さといったデメリットがあります。さらに、接着材とガラス基板の屈折率の違いにより、光学的応用に悪影響を与えてしまうのも特徴です。

オプティカル・コンタクトはガラス分子間に働くファンデルワールス力を利用した接合方法です。しかしながらその接合強度はガラス基板本来の材料強度よりも2桁劣ってしまいます。

拡散接合法は機械強度を保持したままの接合が可能ですが、高精度の接合面加工と高温下での長時間加熱を必要とし、実用性は極めて低いのが現状です。

CO2レーザーによるガラス溶接との比較

超短パルスレーザーの登場以前、レーザーを用いたガラスの溶接にはCO2レーザーが用いられていました。CO2 レーザーの波長は10.6μm であり、極めて高い吸収率でガラスに吸収されることで金属材料と同様の溶接が可能となります。しかし、CO2レーザーによるガラス溶接はレーザー照射時にガラス表面に発生する熱を利用した技術であるため、レーザー照射部及びその周辺が熱により変形し、ガラス材料の大きな特徴である平面度を維持する事が困難となってしまいます。IoT技術の発展に伴って部品の小型化・高密度化が進み、ガラスの高い平面度を活用した電子機器の必要性は年々高まっています。そのため、ガラス材料の平面度を阻害しない、超短パルスレーザーを用いたガラス溶接技術には大きな期待が高まっています。

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参照

　　

• 超短パルスレーザーによるガラス溶接
• 超短パルスレーザによるガラスの微細溶接